유연한 개발 플랫폼을 사용하여 MCU 및 MPU 프로젝트를 신속하게 진행

내장형 시스템과 그 애플리케이션이 급속도로 다양화되고 있으며, 이를 지원하는 프로세서도 다양해지고 있습니다. 이에 따라 내장형 프로세서는 점점 더 정교해지고 있으며, 엔지니어에게는 종종 기능이 겹치는 다양한 옵션들이 계속해서 늘어가고 있습니다. 선택의 폭이 넓어지는 것은 언제나 환영하지만, 가능성을 탐색하는 데는 시간이 엄청나게 많이 걸릴 수 있습니다. 역동적인 환경에서 성공하려면 개발자는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)부터 마이크로 프로세서 유닛(MPU)에 이르는 다양한 실리콘 옵션을 빠르게 평가하는 동시에 시제품 제작 프로세스를 간소화할 수 있는 수단이 필요합니다.

설계자를 돕는 한 가지 방법은 하드웨어에 대한 빌딩 블록 접근 방식을 취하는 것입니다. 간소화된 개발 기판과 광범위한 확장 모듈 및 지원 소프트웨어 라이브러리를 결합하여 설계자는 필요에 따라 믹스 앤 매치할 수 있습니다.

이 문서에서는 내장형 시스템 설계 요구 사항이 어떻게 변화하고 있으며 이러한 변화가 프로세서 선택에 어떤 의미를 갖는지 살펴봅니다. 그런 다음 NXP의 플랫폼을 통해 설계자가 저전력 MCU에서 고집적 Linux급 MPU 및 애플리케이션 프로세서로 확장하여 여러 프로세서 클래스를 탐색할 수 있는 방법을 보여줍니다.

내장형 설계의 모호한 경계

최근까지 대부분의 내장형 애플리케이션은 경계가 잘 정의된 범주에 속했습니다. 단순한 I/O 및 제어 논리는 8비트 MCU의 영역이었으며, 32비트 MCU는 복잡한 실시간 작업을 처리했습니다. 전체 운영 체제(OS)나 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 필요한 애플리케이션은 MPU의 영역에 속해 있었습니다.

오늘날에는 이러한 경계가 모호해졌습니다. 기존 독립형 애플리케이션에 정교한 연결 기능이 추가되면서 많은 기존 8비트 애플리케이션이 32비트 영역으로 밀려났습니다. 실시간 애플리케이션 전반에 걸쳐 복잡한 소프트웨어 스택이 확산되고 있으며, MCU와 MPU 애플리케이션의 요구 사항이 통합되고 있습니다. 동시에 인공지능(AI)과 머신 러닝(ML)은 점점 더 다양한 애플리케이션에 통합되고 있습니다.

프로세서 클래스 간의 구분도 모호해졌습니다. 이제 고성능 MCU에는 하이엔드 MPU의 전유물이었던 그래픽 가속기와 AI/ML 기능이 탑재되어 있습니다. MPU는 이전에는 MCU에서만 가능했던 실시간 기능을 추가하고 있습니다. 복잡성이 더해지면서 하이엔드 그래픽, AI 및 기타 정교한 기능에 대한 수요가 증가함에 따라 휴대폰에서 차용한 아키텍처를 갖춘 애플리케이션 프로세서가 도입되었습니다.

이 모든 것이 혁신이 계속 가속화되면서 일어나고 있습니다. 설계 주기의 시작과 제품 출시 사이에 시장의 역학 관계에 따라 프로젝트 요구 사항이 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 헤드리스 MCU 기반 설계에서 예기치 않게 터치스크린이 생겨 MPU로 전환해야 할 수도 있습니다. 반대로, 제품 마케팅 팀이 마지막 순간에 고급 제품에 보급형 버전이 함께 제공되어야 한다고 결정하여 서둘러 저렴한 프로세서를 찾아야 할 수도 있습니다.

이러한 트렌드와 변화로 인해 설계자가 다양한 옵션을 쉽게 탐색할 수 있는 프로세서 평가 에코시스템이 필요해졌습니다. 기존의 평가 기판은 이러한 수요를 충족하는 데 어려움을 겪었습니다. 종종 프로세서 제품군의 모든 중요한 기능을 보여주기 위해 좁은 범위의 애플리케이션에 최적화된 복잡한 설계를 사용하는 경향이 있었습니다. 그 결과, 한 기판에 대해 투자했던 노력을 다른 기판으로 옮겨 적용할 수 있는 경우가 거의 없었습니다.

유연한 플랫폼으로 더 빠른 프로세서 평가 가능

내장형 시스템 설계자의 요구 사항을 해결하기 위해 NXP는 문제를 새롭게 바라보고 FRDM 개발 플랫폼을 개발했습니다(그림 1). FRDM 기판은 가능한 모든 기능을 담는 대신 프로세서, 메모리, 기본 I/O 등 필수 기능만 포함합니다. 그런 다음, Arduino(Arduino), Pmod(Digilent) 및 mikroBUS(MikroElektronika) 확장 헤더로 구성된 방대한 에코시스템을 활용하여 애플리케이션별 기능을 추가할 수 있습니다. NXP는 디스플레이, 센서, 통신 인터페이스 등을 위한 옵션을 제공하는 확장 기판 허브를 통해 이러한 모듈식 접근 방식을 지원합니다.

그림 1: FRDM 기판은 필수 기능만 포함하고 디스플레이 및 I/O와 같은 기능은 표준 기반 확장 기판에 맡깁니다(이미지 출처: NXP).

이 빌딩 블록 접근 방식을 사용하면 프로젝트 전반에서 기능을 확장하고 하드웨어를 재사용하기가 더 쉬워집니다. 확장 모듈은 동일한 산업 표준 인터페이스를 공유하기 때문에 동일한 주변 장치 기판을 다른 프로세서로 평가할 수 있습니다. 예를 들어, 설계자는 엔트리 레벨 MCU 플랫폼에서 센서 모듈을 검증한 다음 시제품을 다시 설계하지 않고도 고성능 MPU로 동일한 하드웨어를 재사용할 수 있습니다.

이러한 유연성으로 인한 장점이 큰 이유는 FRDM 플랫폼이 지원하는 광범위한 Arm 기반 프로세서 덕분입니다. 초저전력 엔트리 레벨 MCU부터 시작하여 모터 제어, 그래픽 및 무선 연결을 위한 맞춤형 옵션 등 다양한 기능을 갖춘 장치로 라인업이 확장됩니다. 하이엔드에는 기가헤르츠(GHz)급 성능과 AI 가속기와 같은 고급 기능을 갖춘 MPU 및 애플리케이션 프로세서가 포함됩니다.

엔트리 레벨 MCU 개발 기판 시작하기

FRDM-MCXC444(그림 2)는 FRDM 플랫폼의 장점을 보여줍니다. 이 엔트리 레벨 기판은 비용에 민감한 내장형 애플리케이션을 위한 초저전력 기반을 제공하며, MCXC444VLH MCU를 탑재하고 있습니다. 이 MCU는 전력 효율과 저비용이 가장 중요한 애플리케이션을 위해 설계된 NXP의 MCX C 계열에 속합니다.

그림 2: FRDM-MCXC444 엔트리 레벨 기판은 저전력 MCXC444VLH MCX C 계열 MCU, 소형 LCD 및 USB 포트를 갖추고 있습니다(이미지 출처: NXP).

MCXC444VLH는 최대 48MHz로 실행되는 Arm Cortex-M0+ 코어를 중심으로 구축되었습니다. 초저전력 실행 모드에서는 MHz당 54마이크로암페어(µA/MHz)를 소비하고, 절전 모드에서는 소비량이 1.96µA에 불과합니다. 전류 소모량이 적기 때문에 배터리로 구동되는 애플리케이션에 매우 적합합니다.

외부 드라이버 없이 최대 24×8 또는 28×4 세그먼트를 지원하는 통합 세그먼트 LCD 컨트롤러가 탑재되어 있는 것도 MCXC444VLH의 또 다른 특징입니다. 또한 외부 크리스탈이 필요 없는 풀스피드 USB 2.0 기능이 포함되어 있어 자재 명세서(BOM) 비용과 기판 복잡성을 줄일 수 있습니다.

FRDM-MCXC444 기판은 내장형 LCD와 USB를 통해 이러한 기능을 선보입니다. 다른 주목할 만한 기능으로는 가속도계와 광 센서가 있어 센서 기반 설계의 시제품을 제작할 수 있습니다. 이 기판은 간단한 사용자 인터페이스와 주기적인 연결이 필요한 배터리 작동식 장치의 경우에 적합합니다.

메인스트림 MCU 개발 기판으로 모터 제어 시작하기

중간급으로 올라가면, FRDM-MCXA346(그림 3)은 어떻게 FRDM 플랫폼이 보다 정교한 제어 작업을 지원하는지를 강조하여 보여줍니다. 이 기판은 모터 제어를 목표로 하며, 정교한 통합이 필요한 메인스트림 애플리케이션을 위해 설계된 MCXA346VLQ MCU(NXP의 MCX A 계열에 속함)를 탑재하고 있습니다.

그림 3: FRDM-MCXA346 평가 기판은 MCXA346VLA MCX A 계열 MCU를 기반으로 하며 CAN FD를 비롯한 산업용 제어를 위한 다양한 기능을 제공합니다(이미지 출처: NXP).

MCXA346VLQ는 180MHz로 실행되는 Arm Cortex-M33 코어를 중심으로 구축되었습니다. 1메가바이트(Mbyte)의 플래시 메모리와 256킬로바이트(Kbytes)의 SRAM(정적 랜덤 액세스 메모리)이 포함되어 있어 애플리케이션 코드와 데이터를 위한 충분한 저장 공간을 제공합니다. 프로세서의 부동 소수점 처리 장치(FPU) 및 디지털 신호 처리(DSP) 확장 기능으로 복잡한 제어 알고리즘에 적합합니다.

모터 제어 애플리케이션의 경우 MCXA346VLQ는 포괄적인 하드웨어 지원을 제공합니다. 각각 4개의 하위 모듈이 있는 2개의 FlexPWM 모듈은 브러시리스 DC(BLDC) 및 영구 자석 동기 모터(PMSM)를 구동하기 위한 최대 16개의 보완적인 펄스 폭 변조(PWM) 출력을 제공합니다. 4개의 16비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 초당 최대 3.2메가샘플(Msamples/s)을 샘플링하여 여러 모터 위상에 걸쳐 정밀한 모니터링이 가능합니다. 두 개의 직교 인코더/디코더(eQDC) 모듈은 로터 위치 피드백을 처리하고, 두 개 및/또는 반전(AOI) 모듈은 복잡한 제어 시퀀스를 위한 하드웨어 로직을 제공합니다.

FRDM-MCXA346 기판은 산업용 네트워킹 애플리케이션을 위한 풀스피드 USB 및 CAN FD를 비롯한 주요 I/O에 직접 액세스할 수 있습니다. 이 기판은 병렬 디스플레이 및 카메라 인터페이스를 지원하므로 외부 하드웨어 없이도 GUI를 개발할 수 있습니다. 이러한 기능 덕분에 이 기판은 인간 기계 간 인터페이스(HMI)가 필요한 산업용 장비를 개발하는 데 적합합니다.

고성능 MPU 개발 기판으로 에지 AI 문제 해결

FRDM 제품군의 최상위 제품인 FRDM-IMX8MPLUS(그림 4)는 플랫폼이 MCU를 넘어 전체 애플리케이션 프로세서 설계로 확장되는 방법을 보여줍니다. 이 기판은 멀티코어 GHz 이상 프로세서와 AI 가속기를 갖춘 NXP의 i.MX 8M Plus 제품군 중 하나인 MIMX8ML8DVNLZAB를 기반으로 합니다.

그림 4: FRDM-IMX8MPLUS 개발 기판은 i.MX 8M Plus 제품군의 MIMX8ML8DVNLZAB MPU를 기반으로 하며, 광범위한 멀티미디어 인터페이스와 AI 가속을 포함하고 있습니다(이미지 출처: NXP).

특히 FRDM-IMX8MPLUS는 최대 1.8GHz로 실행되는 4개의 Arm Cortex-A53 코어와 800MHz로 실행되는 전용 Cortex-M7 실시간 코어, 초당 2.3테라 연산(TOPS)을 제공하는 신경망 처리 장치(NPU)가 결합되어 있습니다. 이 이기종 아키텍처는 컴퓨터 비전, 음성 인식 및 기타 AI 애플리케이션을 위한 강력한 기반을 제공하는 동시에 실시간 제어도 지원합니다.

멀티미디어 및 연결성을 위해 포괄적인 인터페이스 세트를 제공합니다. HDMI 2.0, MIPI-DSI 및 듀얼 LVDS(저전압 차동 신호) 출력은 디스플레이 개발을 지원하고, 듀얼 MIPI-CSI 입력은 비전 애플리케이션을 위한 카메라 통합을 가능하게 합니다. 듀얼 기가비트 이더넷, USB 3.0, 온보드 Wi-Fi 6/Bluetooth 5.4/802.15.4 트라이 라디오 모듈을 통해 네트워킹 및 확장 기능도 다양하게 제공됩니다.

포괄적인 소프트웨어 지원으로 개발 가속화

FRDM 플랫폼의 하드웨어 유연성은 전체 프로세서 제품군에서 개발을 간소화하도록 설계된 포괄적인 소프트웨어 리소스와 조화를 이룹니다. NXP는 실시간 MCU용과 고성능 MPU용의 두 가지 소프트웨어 개발 경로를 제공하여 이를 지원합니다.

MCU 개발을 위해 NXP는 MCUXpresso 소프트웨어 및 툴 제품군을 제공합니다. MCUXpresso 통합 개발 환경(IDE), VS 코드 확장, 구성 툴, 고품질 소프트웨어 개발 키트(SDK)가 포함된 Cortex-M 프로세서(예: MCX C 및 MCX A)를 위한 포괄적인 제품군입니다. 이 경로는 실시간 애플리케이션을 위해 설계되었으며 IAR Systems의 Embedded Workbench 및 Keil MDK와 같은 익숙한 내장형 IDE를 지원합니다.

i.MX 8M Plus와 같은 프로세서에서 MPU 개발을 위해, NXP는 Yocto Project 및 Debian용 기판 지원 패키지(BSP)를 비롯하여 내장형 Linux에 대한 강력한 지원을 제공합니다. 빠르게 시작할 수 있도록 NXP는 컴퓨터 비전, AI 및 멀티미디어와 같은 고급 애플리케이션을 위한 사전 구축된 Linux 기반 데모 및 단계별 가이드가 포함된 저장소인 GoPoint를 제공합니다.

MCU 측에서 시제품 제작을 가속화하기 위해 NXP는 MCUXpresso 애플리케이션 코드 허브도 제공하는데, 이는 NXP 전문가와 파트너가 개발한 소프트웨어 예제 및 애플리케이션 데모를 한 데 모은 저장소입니다. 이 허브는 모터 제어, 감지 및 AI를 아우르는 180개 이상의 코드 예제를 제공합니다. 이 예제는 FRDM 기판과 직접 작동하도록 설계되었으므로 하나의 FRDM MCU 기판에 구축된 애플리케이션 시제품을 최소한의 변경만으로 호환되는 다른 MCU로 마이그레이션할 수 있습니다.

결론

내장형 시스템 요구 사항이 진화하고 중첩됨에 따라 엔지니어는 여러 프로세서를 실험하고 아이디어를 빠르게 시제품으로 제작할 수 있는 효율적인 방법이 필요합니다. NXP FRDM 플랫폼의 모듈식 하드웨어와 공유 소프트웨어 리소스는 저전력 MCU부터 중간급 제어, Linux급 AI 지원 MPU까지 모든 것을 지원하여 실용적인 탐색이 가능하도록 해줍니다. 확장 및 코드 재사용을 표준화하여 설계 확장에 따른 유연성을 유지하면서 개념에서 실제 시제품 제작까지 걸리는 시간을 단축합니다.